Imagem Estática

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Fundamentos de Sistemas Multimídia Fundamentos de Sistemas Multimídia

Imagem Estática

Profa. Débora Christina Muchaluat Saade

[email protected]

Imagem Estática Imagem Estática

[email protected]

Departamento de Engenharia de Telecomunicações Departamento de Engenharia de Telecomunicações --UFFUFF

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Imagem Estática Imagem Estática

BMP

GIF

TIFF

PNG

JPEG

BMP BMP

Bitmap

Usado no Windows

Baseado no modelo RGB

Profundidade do pixel

• 1 (preto/branco), 4, 8 e 24 bits

Pode usar codificação por carreira (run-length)

Tipos de compressão

• 0 - no compression – mais comum

• 1 - 8 bit run length encoding

• 2 - 4 bit run length encoding

• 3 - RGB bitmap with mask (transparência)

BMP BMP

Formato bitmap

• Uso de uma tabela de cores (palette)

(2)

5

BMP BMP

Formato bitmap

• Sem tabela de cores

6

BMP BMP

Formato bitmap

• Cabeçalho (header + info)

– informações sobre tamanho, profundidade do pixel e tipo de compressão

• tabela de cores

– indica todas as cores usadas no bitmap (exceto para representação de 24 bits por pixel)

– formato 4 bytes por linha (B, G, R, reservado)

• Região de dados – valor de cada pixel em linhas (múltiplos de 32 bits/4 bytes)

– Ex.: 6 bytes que representam uma linha em um bitmap:

• A0 37 F2 8B 31 C4 – Devem ser salvos como:

• A0 37 F2 8B 31 C4 00 00

• Arquivo .bmp armazena linhas de baixo para cima

GIF GIF

Graphics Interchange Format

• Formato proprietário da CompuServe

24 bits por pixel (8 bits por componente R, G, B)

GIF utiliza uma tabela de 256 cores com as cores mais usadas na imagem

• Global color table

• Local color table

Cada valor na tabela tem 24 bits

Utiliza o índice da tabela (8 bits) para representar cada pixel da imagem

Reduz o número de cores representadas para 256

• Comprime de 24 bits para 8 bits

• Compressão de 3:1

GIF GIF – – modo básico de operação modo básico de operação

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10

GIF GIF

LZW pode ser usado

Tabela de 512 entradas

•

256 cores mais usadas

•

Mais 256 combinações de 3 índices de 8 bits

Tabela de tamanho variável para acomodar mais combinações de 3 índices

Extensões permitem

•

definir uma cor transparente

•

animação

•

entrelaçamento

11

GIF GIF

Permite que imagem seja transferida por partes

•

modo entrelaçado

Útil para transferência em canais de baixa taxa ou com taxa de transmissão variável (Internet)

Descompressão pode ser feita de forma progressiva

Dados divididos em 4 grupos:

•

1/8, 1/8, 1/4, 1/2

GIF GIF

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14

TIFF TIFF

Tagged Image File Format – padrão ANSI

Resolução de até 48 bits por pixel (16 bits por componente R, G, B)

Usado para Imagens e documentos digitalizados

Formato usado é indicado por um código

•

Formato não comprimido (code number = 1)

•

Comprimido com LZW (code number = 5)

Códigos 2, 3 e 4 são usados para documentos digitalizados (mesmo formato de fax)

15

TIFF TIFF

Compressão com LZW

•

Mesma do GIF

•

Tabela inicial de 256 cores que pode ser estendida até 4096 entradas (2

¹²

)

Algumas extensões ao TIFF dão suporte a modo entrelaçado, mas não o padrão

PNG PNG

Portable Network Graphics

Padrão W3C – World-Wide Consortium

• Padrão ISO 15948:2003

Projetado para substituir GIF e TIFF

PNG x GIF PNG x GIF

Vantagens sobre GIF:

• Alpha channel, usado para especificar transparência

– GIF só suporta transparência binária (cada pixel é transparente ou opaco)

– PNG suporta vários níveis de transparência

• Gamma correction, para corrigir diferenças entre o brilho da imagem em monitores de diferentes plataformas

– Ex.: imagens editadas em Mac parecem mais escuras em PC

• Entrelaçamento bidimensional

• Melhor compressão (diferença de 5% a 25%)

Desvantagens:

• Não suporta animação

• Representação de imagem única somente

• Extensão para múltiplas imagens

– MNG – Multiple-Image Network Format

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18

PNG PNG

Tipos de imagens:

• tons de cinza

• true color (RGB)

• com tabela de cores (palette)

• tons de cinza com alpha channel

• true color (RGB) com alpha channel

Profundidade do pixel:

• 1 a 16 bits por componente

Formato de compressão sem perda:

• Compactação com LZ77 e Huffman

Interessante para armazenar estágios intermediários da edição de uma imagem (em comparação com JPEG)

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PNG PNG

Tipos de imagem PNG

PNG PNG

True color com alpha channel

PNG PNG

Com tabela de cores (palette) – indexed colour

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22

PNG PNG

Modo entrelaçado em 7 passos

23

PNG PNG

Filtros de Compressão por linha

•

Objetivo: preparar os dados da imagem para compressão ótima

PNG PNG

Filtros de compressão

•

Aplicados a bytes, não pixels

•

Imagem entrelaçada => cada passo é tratado separadamente

Pixel anterior, superior ou superior esquerdo podem ser usados no cálculo do valor do filtro

Decodificador precisa guardar linha anterior

a b c

x

PNG PNG

Tipos de filtros de compressão

Filt(x) = Orig(x) - PaethPredictor(Orig(a), Orig(b), Orig(c)) Paeth

4

Filt(x) = Orig(x) - (Orig(a) + Orig(b)) / 2 Average

3

Filt(x) = Orig(x) - Orig(b) Up

2

Filt(x) = Orig(x) - Orig(a) Sub

1

Filt(x) = Orig(x) None

0

Codificação Nome

Tipo

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26

PNG PNG

Filtro de Compressão Paeth (Paeth Predictor)

•

Criado por Alan Paeth

27

PNG PNG

Codificação

JPEG JPEG

Joint Photographic Experts Group

Padrão ISO – IS 10918

Define vários modos de compressão para uso em diversas aplicações

•

Modo seqüencial com perdas – modo básico

– Compressão de imagens monocromáticas e coloridas

5 estágios principais:

•

Preparação da imagem/bloco, DCT, quantização, codificação por entropia, construção dos quadros

JPEG JPEG

(8)

30

JPEG JPEG

Preparação da imagem/bloco

• Imagens monocromáticas, tons de cinza ou usando tabela de cores

– 1 matriz

• Imagem em RGB ou YCrCb

– 3 matrizes, uma para cada componente

– Matrizes de Cr e Cb podem ser menores (Ex.: 4:2:0)

• Cada elemento de uma matriz pode ter 8 ou 12 bits

• Divisão das matrizes em blocos de 8 x 8 submatrizes

– Cálculo da transformada para cada posição usa todos os valores da matriz

– Mais rápido em matrizes menores (8 x 8)

• Ex.: imagem 640 x 480 => 80x60 (4800) blocos de 8x8

31

JPEG JPEG

Cálculo da Transformada Discreta de Co-senos

• DCT

• Discrete Cosine Transform

• Todos os 64 valores na matriz de entrada P[x,y] (f(x,y)) contribuem para cada entrada na matriz transformada F[i,j]

(F(u,v))

• F[0,0] = coeficiente DC – média de todos os 64 valores

• Outros valores são chamados coeficientes AC

– Para j=0 (linha) => coeficientes de freqüência horizontal – Para i=0 (coluna) => coeficientes de freqüência vertical

(9)

34

JPEG JPEG

35

JPEG JPEG

Quantização

• Olho humano é mais sensível ao coeficiente DC e coeficientes de freqüências espaciais mais baixas

• Freqüências muito altas não são percebidas

– Coeficientes descartados (setados como zero) na matriz transformada

• Threshold para cada coeficiente (tabela de quantização)

– Divisão do coeficiente pelo threshold

– Quociente da divisão é arredondado para valor inteiro (erro de quantização => perda de informação)

• Tabela de quantização

– Padrão tem 2 tabelas defaults (luminância, crominância) – Pode usar tabela específica

JPEG JPEG

(10)

38

JPEG JPEG

Conclusões sobre a quantização:

•

O cálculo dos coeficientes quantizados envolve arredondamento para o valor inteiro mais próximo

•

Os valores de threshold usados aumentam à medida que as freqüências espaciais aumentam

•

O coeficiente DC é o maior na matriz transformada

•

Muitos dos coeficientes de freqüências mais altas são nulos

Últimos 2 pontos são explorados na codificação por entropia (próximo estágio)

39

JPEG JPEG

Codificação por entropia (4 passos)

•

Vetorização (vectoring)

•

Codificação diferencial (preditiva)

•

Codificação por carreira (run-length)

•

Codificação de Huffman

Estágio também conhecido como

•

Variable-length coding (VLC) stage

Utiliza codewords de tamanho variável

JPEG JPEG

Vetorização

• Transformação da matriz de 2 dimensões em um vetor

• Coeficientes mais baixos são maiores

• Varredura da matriz em zig-zag

JPEG JPEG

Codificação diferencial

•

Coeficiente DC

Codificação por carreira

•

Coeficientes AC

(11)

42

JPEG JPEG

Codificação diferencial

• Coeficiente DC

• Como blocos são pequenos, não tem muita variação entre coeficientes DC de blocos sucessivos

– Valor é codificado como diferença do valor do bloco corrente para o anterior

– O primeiro em relação a 0 (zero)

• Ex.: 12, 13, 11, 11, 10, ...

• Diferenças: 12, 1, -2, 0, 1, ...

• Codificação usa o formato (SSS, valor), onde SSS indica o número de bits necessários para codificador o valor

43

JPEG JPEG

Codificação Diferencial

•

Exemplo: 12, 1, -2, 0, 1

•

Valores negativos são codificados com o complemento do binário (sem sinal)

Valor SSS Valor Codificado

•

12 4 1100

•

1 1 1

•

-2 2 01

•

0 0

•

-1 1 0

JPEG JPEG

Regras usadas na codificação diferencial

JPEG JPEG

Codificação por carreira

• 63 Coeficientes AC

• O vetor contém longas strings de 0 (zero)

• Coeficientes AC são codificados usando uma string de pares de valores

• Codificação usa o formato (skip, value)

– Skip = número de zeros

– Value = próximo coeficiente não-nulo

• (0,6)(0,7)(0,3)(0,3)(0,3)(0,2)(0,2)(0,2)(0,2)(0,0)

• (0,0) indica o final da string (todos os coeficientes restantes

(12)

46

JPEG JPEG

Codificação do valor (value)

•

usa o formato (SSS, valor), onde SSS indica o número de bits necessários para codificador o valor

Exemplo: (0,6)(0,7)(3,3)(0,-1),(0,0)

Coef. AC Skip SSS Valor

•

0,6 0 3 110

•

0,7 0 3 111

•

3,3 3 2 11

•

0,-1 0 1 0

•

0,0 0 0

47

JPEG JPEG

Codificação de Huffman

• Usada para codificar a saída das codificações diferencial e por carreira

Para coeficientes DC, o campo SSS é codificado com Huffman

• Decodificador determina sem dúvidas o primeiro SSS do restante dos bits codificados

Tabela de Huffman default ou específica

JPEG JPEG

Exemplo: 12, 1, -2, 0, 1

Valor SSS SSS(Huff.) Valor Bitstream

• 12 4 101 1100 1011100

• 1 1 011 1 0111

• -2 2 100 01 10001

• 0 0 010 010

• -1 1 011 0 0110

JPEG JPEG

Para coeficientes AC, os campos Skip e SSS são tratados em conjunto (como um símbolo composto)

• Skip varia de 0 a 15

• SSS varia de 0 a 10

Tabela de Huffman default ou específica (deve ser enviada junto com o bitstream)

(13)

50

JPEG JPEG

Exemplo: (0,6)(0,7)(3,3)(0,-1),(0,0)

Coef. AC Skip/SSS cód. Huff. Valor

• 0,6 0/3 100 110

• 0,7 0/3 100 111

• 3,3 3/2 111110111 11

• 0,-1 0/1 00 0

• 0,0 0/0 1010 (end of block)

Bitstream:

• 100110 100111 11111011111 000 1010

No exemplo:

• 30 bits para codificar coeficientes AC, assumindo 7 bits para coeficiente DC = total de 37 bits

• Suponha que cada pixel da matriz 8x8 original tivesse 8 bits

• Taxa de compressão resultante:

– 512/37 => 13,8:1

51

JPEG JPEG

Construção dos quadros

•

Definição da estrutura do bitstream completo de uma imagem

–Quadro (frame) JPEG

•

Estrutura hierárquica

JPEG JPEG

Primeiro nível (level 1)

• Delimitador de início

• Cabeçalho

– Tamanho total da imagem em pixels

– Número e tipos dos componentes usados na representação

• Tons de cinza, RGB, YCrCb – Formato de digitalização

• 4:2:2, 4:2:0, ...

• Conteúdo

• Delimitador de fim

(14)

54

JPEG JPEG

Segundo nível (level 2) – conteúdo do quadro

•

componentes chamados scan

•

cabeçalho (scan header) que contém

– Identidade dos componentes (R, G, B, ...) – Número de bits usados para digitalizar cada

componente

– Tabelas de quantização utilizadas para codificar cada componente

55

JPEG JPEG

Terceiro nível (level 3)

Cada componente consiste de:

• 1 ou mais segmentos e cabeçalhos

Segmento

• contém um grupo de blocos 8x8

– DC, skip/value, skip/value, ..., end-of-block

Cabeçalho (segment header)

• Tabelas de Huffman utilizadas na codificação de cada segmento

Cada segmento pode ser decodificado de forma independente dos outros

• impede a propagação de erros em outros segmentos

Codificador JPEG Codificador JPEG

Decodificador JPEG

(15)

58

Decodificador JPEG Decodificador JPEG

1. Decodificador de quadros

• Identifica tabelas utilizadas

2. Decodificação de Huffman

• Usando tabela identificada

3. Decodificação Diferencial (coef. DC) e por Carreira (coef. AC)

4. “Desquantização”

• Usando tabela identificada

5. Transformada de Co-senos inversa

6. Construção da imagem final

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Decodificador JPEG Decodificador JPEG

Transformada de Co-senos inversa:

JPEG JPEG

Descompressão pode ser feita de forma progressiva

•

Modo progressivo

•

Modo hierárquico

JPEG JPEG

Modo progressivo

•

Seleção de espectro:

–Primeiro o coeficiente DC e os coeficientes de baixa freqüência são enviados para cada bloco; depois os

coeficientes de alta freqüência

(16)

62

JPEG JPEG

Modo progressivo

• Aproximação sucessiva:

– Primeiro o coeficiente DC é enviado para cada bloco;

– depois os bits dos outros coeficientes do mais significativo para o menos significativo

– Técnica mais interessante se imagem tem muita variação (coeficientes de alta

freqüência altos)

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JPEG JPEG

Vantagens do modo progressivo:

•

envia os coeficientes mais importantes juntos

•

Quando recebe os coeficientes mais importantes, já começa a mostrar a imagem

–Efeito: imagem aparece borrada e vai ficando mais nítida conforme vai chegando o resto

JPEG JPEG

Modo hierárquico:

•

Filtragem de amostras com redução de resolução pelo fator 2 em múltiplas dimensões

•

Codificação da imagem reduzida

•

Gradativamente envia restante das amostras

Efeito no receptor:

•

Melhora gradativa da resolução geométrica

Interessante quando dispositivo receptor não tem resolução suficiente para apresentar a imagem

•

Basta mandar a imagem reduzida

JPEG JPEG

Novo padrão JPEG 2000

ISO/IEC 15444

http://www.jpeg.org

http://www.iso.org

ISO/IEC 15444-1:2000 - Part 1: Core coding system

ISO/IEC 15444-3:2002 - Part 3: Motion JPEG 2000

ISO/IEC 15444-4:2002 - Part 4: Conformance testing

ISO/IEC 15444-6:2003 - Part 6: Compound image file format

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Imagem Gráfica (Vetorial)

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Imagem Gráfica Imagem Gráfica

( ( Vetorial) Vetorial )

[email protected]

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SVG SVG

Scalable Vector Graphics - versão 1.1 (jan. 2003)

Padrão do W3C (www.w3.org) e ISO/IEC 15948:2003

Linguagem declarativa (XML) para descrição de gráficos bidimensionais

• Página web SVG (<svg>) ou embutido em XHTML

Linguagem Modular

• Perfil XHTML+MathML+SVG

Visualizadores SVG (plugins)

• Adobe SVG Viewer, Corel SVG Viewer

Editores que exportam no formato SVG

• Adobe Illustrator, Corel Draw

SVG SVG

Características Principais:

• Lida com objetos geométricos (linhas e curvas)

– Formas básicas: rect, circle, ellipse, line, polyline, polygon

• Símbolos definidos pelo usuário

– <symbol>

• Inclusão de imagens estáticas (raster)

– Visualizador deve dar suporte a formatos PNG e JPEG no mínimo

• Formatação de texto (ou usa folhas de estilo CSS)

• Definição de metadados

SVG SVG

Características Principais:

• Suporte a Animação

– <animate>

• Interatividade

– Execução de ações (animações ou scripts) em resposta a eventos como click, mouseover, mousedown...

• Definição de elos

– <a href=“...” >

• Definição de alternativas de conteúdo basedas em atributos de teste (usuário e plataforma)

– <switch>